2.3.4. Спекание

В порошковой металлургии высокотемпературный нагрев называется спеканием и заключается в нагреве и выдержке порошковых формовок при температурах 0,7 – 0,9 от абсолютной температуры плавления металла или основного компонента.

Спекание сопровождается качественным и количественным изменением контактов между частицами порошка, уплотнением формовок, окислительно-восстановительными и диффузионными процессами, что обуславливает формирование структуры полученного материала.

При спекании шероховатость частиц существенно сглаживается. Центры частиц сближаются, что приводит к уплотнению материала.

С термодинамической точки зрения процесс спекания можно представить как перемещение атомов из энергетически невыгодного состояния в более выгодное, когда свободная энергия частиц минимальна.

Активность при спекании от искаженности кристаллической решетки. Чем больше плотность структурных дефектов, тем активнее порошки.

Принято считать, что первые контакты между частицами при прессовании образуются через оксидную пленку. При нагреве заготовки в восстановительной среде ( водород, СО, вакуум) уже при 300 ºС начинается восстановление оксидов. В момент их перестройки решётка разрыхляется и наблюдается высокая подвижность атомов, которая приводит к образованию металлических контактов. С дальнейшим ростом температуры металлические контакты растут , образуя в системе сначала открытую, а затем закрытую пористость.

В ряде случаев при спекании наблюдается не уплотнение, а разуплотнение материала. Это вызвано образованием дополнительной пористости. Дополнительная пористость может возникать при спекании многокомпонентных систем, когда скорость растворения компонентов друг в друге не одинакова .

При твёрдофазном спекании в области высоких температур большую роль играют процессы ползучести. Под диффузионной ползучести понимают процесс непрерывной пластической деформации при постоянном напряжении, при постоянной температуре.

Диффузионная текучесть проходит по вакансионному механизму. При пластической деформации деформация осуществляется за счет смещения по кристаллографическим плоскостям, имеющим наиболее плотную упаковку. Диффузионная ползучесть имеет место как при повышенных так и при пониженных температурах.

В результате обмена местами вакансий атомов имеет место пластическая деформация ,т.е. изменение формы тела.

Высокотемпературный нагрев является обязательной операцией обработки порошковых холоднопрессованных заготовок, поскольку без него они представляют собой конгломерат частиц, слабо связанных друг с другом, и не обладают требуемыми свойствами. Одним из видов такой обработки является спекание – технологическая операция, заключающаяся в нагреве и выдержке порошковых формовок при температурах более низких, чем температура плавления основного компонента. Оно имеет своей основной целью увеличение их прочности. Упрощенно можно представить, что при спекании изменяется характер физической границы раздела частиц - межчастичные контактные поверхности – и за счет увеличения подвижности атомов при нагреве на ней возникают металлические связи или она исчезает совсем. Из конгломерата частиц создается более или менее плотный и однородный материал. Одновременно с решением основной задачи при спекании могут происходить окислительно-восстановительные и диффузионные процессы..

Наибольшее распространение получило спекание в защитных атмосферах. При массовом производстве спекание осуществляется в печах непрерывного действия. Защитный газ непрерывно подается в муфель, на движущийся поддон которого загружаются детали. Движущийся поддон представляет собой конвейер. Но т. к. у нас не массовое производство и температура спекания должна быть 1250 ºС, что не обеспечивает конвейерная печь, то целесообразнее использовать вакуумную толкательную печь сопротивления и спекание проводить в остро-осушенной атмосфере диссоциированного аммиака.

После спекания необходимо проконтролировать твердость структуры полученного изделия.